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摘要：无线传感器网络是由大量能量有限的传感器节点组成的一种多跳自组织网络。随着它的应用前景的发展，如何合理高效地使用能源，最大限度的延长网络的生命周期，已经成为人们研究的热点。本文从硬件与软件两个方面介绍了无线传感器网络的节能策略及其发展与特点。
关键词：无线传感器网络；节能策略；硬件结构；软件节能
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)15-21044-02
Research on Energy-conserving Strategy for Wireless Sensor Network
ZHAO Qiao-mei1,2
(1.Computer Department,Hunan Institute of Humanities,Science and Technology,Loudi 417000,China;2.Hunan University,Changsha 410082,China)
Abstract:Wireless sensor networks are usually consisted of a large number of sensor nodes with limited energy by a multiple self-organization net.With the development of its application in the field,currently,it is a point how to enhance the life of net using energy in efficient.The chapter introduces the useful development and characterization of economized energy technology.
Key words:Wireless Sensor Network;Energy saving strategy;hardware structure;energy saving by software way
1 引言
无线传感器网络是由大量的具有数据采集功能的传感器节点通过在一定监测区域内随机部署而形成的一种多跳自组织网络。近几年来，随着无线通信技术、微电子技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，无线传感器网络的应用前景越来越广阔，如：军事领域、城市交通管理、环境监测和预报、空间探索、智能家居等，但是传感器节点通常是通过自身携带能量非常有限的电池供电，而它们工作的环境通常是非常复杂甚至于人类是不可及的，通过更换电池的方式补给能量几乎是不可能的，因此，如何合理高效的使用有限的能量，最大限度的延长网络的生命周期，成为了人们研究的热点。
2 硬件结构
在硬件设计方面，人们一方面要求传感器节点的价格低廉，另一方面希望它的工作时间要尽可能的长，还必须能同时担任终端节点和路由器节点的双重功能。
传感器节点体系结构：传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成[1]，如图1所示。
3 软件方面的节能策略
从软件方面考虑无线传感器网络的节能问题，主要是针对无线传感器网络节点数目众多、数据相关的冗余性及分布式操作的特点设计一些更为有效的节能路由协议、管理软件及关键技术的处理。
3.1 路由协议的节能机制
路由协议负责将数据从源节点通过网络采用多跳、短距离的方式发关到目标节点。由于数据在传输的过程中要经过多个节点才能到达目的节点，如何选择下一跳的中继节点才能达到延长网络生命周期的目的成为人们研究的重点。一般将网络生命期定义为直到死亡节点的百分比低于某个阈值时的持续时间[4]，所以在设计路由协议的时候要能够兼顾节点之间的传输距离及它们的剩余能量值这两个因素，找到一个较好的平衡点。
按照网络结构和工作方式来划分，目前所提出的传感器网络路由协议主要分为两大类: 平面路由协议（Flat routing）和层次路由协议（Hierarchical routing）。平面路由协议一般不要求维护网络的拓扑结构和进行路由计算,接收到消息的节点以广播的形式转发分组,典型的平面路由有SAR(Sequential Assignment Routing)，SPIN(Sensor Protocol for Information Negotiation)和定向传播路由DD(Directed Diffusion)等。层次路由协议主要是通过划分簇来实现,将传感器节点划分到一个个的簇，监测到数据首先传到簇头，簇头主要负责自己簇内的路由和对采样的数据进行数据融合，然后再转发到sink节点。典型的层次路由协议包括LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)和PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)等。采用基于分簇的路由算法相对平面路由算法具有更好的适应性和节能性[5]。
在网络的拓扑控制方面主要考虑的是功率控制与睡眠调度机制。功率控制就是要在保证网络连通的前提下,节点按照一定的规则自动的增大或减小它的发射功率，达到使网络的发射功率(各节点的发射功率的总和)最小的目的，以延长网络的生命周期。典型的代表路由有COMPOW、LMA、LMN、DRNG、DLMST等。由图2可知只有当节点处于睡眠状态的时候它的能量消耗才是最小的，因此只有使节点进入睡眠状态,才能大幅度地降低网络的能量消耗。典型的代表路由有ASCENT、PECAS、SPAN等。
3.2 管理软件—操作系统
由于传感器网络的特殊性，需要操作系统能够合理高效地使用传感器节点的有限的能量。传感器节点一方面存在较大的并发性，同一时段可能存在多个逻辑控制需要执行，另一方面它的模块化程度很高，要求操作系统在不影响整体开销的情况下，能够让应用程序中的各个部分比较方便地进行重新组合。操作系统的核心是任务调度器,并在任务调度中利用动态电源管理和动态电压调整技术考虑节能问题,使系统生存时间得到明显的延长。加州大学伯克利分校的研究人员通过比较、分析与实践，设计了符合无线传感器网络特点的TinyOS操作系。
3.3 其它节能技术
其它的节能技术我们可以归纳为数据融合技术[6]、能量收集技术、减小通信干扰及提高MAC(media access control)协议的效率等。
由于在无线传感器网络中节点的覆盖密度大，所以邻近节点所采集的数据具有较大的相关性和冗余性。数据融合技术使得在节点收集数据的过程中，利用节点本地计算和存储能力处理数据，去掉冗余的信息，尽量减少传输量，达到节能的目的。
能量收集技术主要是指把从监测环境中收集的能量转换后进行储存，随后分配到无线传感器网络中的各个模块，保证传感器的电源需求，实现长期有效的供电。
减小通信干扰能够有效的阻止数据包的冲突及错误的发生，实质上也就实现了减小通信流量的目的，从而达到节能的目标。
MAC协议负责无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突。在传感器网络中，MAC协议更关心能量高效而不是服务质量。因此设计更适用的MAC协议，有助于合理高效的使用能量，从而达到延长网络生命周期的目的。
4 结束语
随着无线传感器网络的商用价值进一步增加,无线传感器网络的节能问题已经引起了人们的高度关注，而且在某些方面也取得了一些成就，但这是远远不够的，让传感器节点成为拥有无限能量的节点，才是我们最理想化的追求。随着各方面技术的进一步发展和成熟，能源问题一定不会再成为人们关注的焦点，无线传感器网络的应用前景也将更加广阔。
参考文献：
[1] 孙利民,李建中,陈渝,朱红松.无线传感器网络.清华大学出版社,2005,5:1.
[2] 耿军涛,周小佳.无线传感器网络中的能量优化技术研究[硕士论文].成都：电子科技大学,2007.
[3] SINBA,A.CHANDRAKASAN.energy-aware Software[J].Proc.Thirteenth International Conference on VLSI Design,Jan.2000:50-55.
[4] Deng J,Han YS,Heinzelman WB,Varshney PK.Scheduling sleeping nodes in high density cluster-based sensor networks.ACM/Kluwer Mobile Networks and Applications(MONET),2005,10(6):825-835.
[5] 梁英,曾鹏,于海斌.无线传感器网络中一种能量自适应的簇首选择机制.信息与控制,2006,2(35):141-146.
[6] 王娟,王汝传,孙力娟.数据融合在传感器网络协议中的节能性分析.计算机技术与发展,2006,11(6):4-6.
关键词：无线传感器网络；节能策略；硬件结构；软件节能
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)15-21044-02
Research on Energy-conserving Strategy for Wireless Sensor Network
ZHAO Qiao-mei1,2
(1.Computer Department,Hunan Institute of Humanities,Science and Technology,Loudi 417000,China;2.Hunan University,Changsha 410082,China)
Abstract:Wireless sensor networks are usually consisted of a large number of sensor nodes with limited energy by a multiple self-organization net.With the development of its application in the field,currently,it is a point how to enhance the life of net using energy in efficient.The chapter introduces the useful development and characterization of economized energy technology.
Key words:Wireless Sensor Network;Energy saving strategy;hardware structure;energy saving by software way
1 引言
无线传感器网络是由大量的具有数据采集功能的传感器节点通过在一定监测区域内随机部署而形成的一种多跳自组织网络。近几年来，随着无线通信技术、微电子技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，无线传感器网络的应用前景越来越广阔，如：军事领域、城市交通管理、环境监测和预报、空间探索、智能家居等，但是传感器节点通常是通过自身携带能量非常有限的电池供电，而它们工作的环境通常是非常复杂甚至于人类是不可及的，通过更换电池的方式补给能量几乎是不可能的，因此，如何合理高效的使用有限的能量，最大限度的延长网络的生命周期，成为了人们研究的热点。
2 硬件结构
在硬件设计方面，人们一方面要求传感器节点的价格低廉，另一方面希望它的工作时间要尽可能的长，还必须能同时担任终端节点和路由器节点的双重功能。
传感器节点体系结构：传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成[1]，如图1所示。
3 软件方面的节能策略
从软件方面考虑无线传感器网络的节能问题，主要是针对无线传感器网络节点数目众多、数据相关的冗余性及分布式操作的特点设计一些更为有效的节能路由协议、管理软件及关键技术的处理。
3.1 路由协议的节能机制
路由协议负责将数据从源节点通过网络采用多跳、短距离的方式发关到目标节点。由于数据在传输的过程中要经过多个节点才能到达目的节点，如何选择下一跳的中继节点才能达到延长网络生命周期的目的成为人们研究的重点。一般将网络生命期定义为直到死亡节点的百分比低于某个阈值时的持续时间[4]，所以在设计路由协议的时候要能够兼顾节点之间的传输距离及它们的剩余能量值这两个因素，找到一个较好的平衡点。
按照网络结构和工作方式来划分，目前所提出的传感器网络路由协议主要分为两大类: 平面路由协议（Flat routing）和层次路由协议（Hierarchical routing）。平面路由协议一般不要求维护网络的拓扑结构和进行路由计算,接收到消息的节点以广播的形式转发分组,典型的平面路由有SAR(Sequential Assignment Routing)，SPIN(Sensor Protocol for Information Negotiation)和定向传播路由DD(Directed Diffusion)等。层次路由协议主要是通过划分簇来实现,将传感器节点划分到一个个的簇，监测到数据首先传到簇头，簇头主要负责自己簇内的路由和对采样的数据进行数据融合，然后再转发到sink节点。典型的层次路由协议包括LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)和PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)等。采用基于分簇的路由算法相对平面路由算法具有更好的适应性和节能性[5]。
在网络的拓扑控制方面主要考虑的是功率控制与睡眠调度机制。功率控制就是要在保证网络连通的前提下,节点按照一定的规则自动的增大或减小它的发射功率，达到使网络的发射功率(各节点的发射功率的总和)最小的目的，以延长网络的生命周期。典型的代表路由有COMPOW、LMA、LMN、DRNG、DLMST等。由图2可知只有当节点处于睡眠状态的时候它的能量消耗才是最小的，因此只有使节点进入睡眠状态,才能大幅度地降低网络的能量消耗。典型的代表路由有ASCENT、PECAS、SPAN等。
3.2 管理软件—操作系统
由于传感器网络的特殊性，需要操作系统能够合理高效地使用传感器节点的有限的能量。传感器节点一方面存在较大的并发性，同一时段可能存在多个逻辑控制需要执行，另一方面它的模块化程度很高，要求操作系统在不影响整体开销的情况下，能够让应用程序中的各个部分比较方便地进行重新组合。操作系统的核心是任务调度器,并在任务调度中利用动态电源管理和动态电压调整技术考虑节能问题,使系统生存时间得到明显的延长。加州大学伯克利分校的研究人员通过比较、分析与实践，设计了符合无线传感器网络特点的TinyOS操作系。
3.3 其它节能技术
其它的节能技术我们可以归纳为数据融合技术[6]、能量收集技术、减小通信干扰及提高MAC(media access control)协议的效率等。
由于在无线传感器网络中节点的覆盖密度大，所以邻近节点所采集的数据具有较大的相关性和冗余性。数据融合技术使得在节点收集数据的过程中，利用节点本地计算和存储能力处理数据，去掉冗余的信息，尽量减少传输量，达到节能的目的。
能量收集技术主要是指把从监测环境中收集的能量转换后进行储存，随后分配到无线传感器网络中的各个模块，保证传感器的电源需求，实现长期有效的供电。
减小通信干扰能够有效的阻止数据包的冲突及错误的发生，实质上也就实现了减小通信流量的目的，从而达到节能的目标。
MAC协议负责无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突。在传感器网络中，MAC协议更关心能量高效而不是服务质量。因此设计更适用的MAC协议，有助于合理高效的使用能量，从而达到延长网络生命周期的目的。
4 结束语
随着无线传感器网络的商用价值进一步增加,无线传感器网络的节能问题已经引起了人们的高度关注，而且在某些方面也取得了一些成就，但这是远远不够的，让传感器节点成为拥有无限能量的节点，才是我们最理想化的追求。随着各方面技术的进一步发展和成熟，能源问题一定不会再成为人们关注的焦点，无线传感器网络的应用前景也将更加广阔。
参考文献：
[1] 孙利民,李建中,陈渝,朱红松.无线传感器网络.清华大学出版社,2005,5:1.
[2] 耿军涛,周小佳.无线传感器网络中的能量优化技术研究[硕士论文].成都：电子科技大学,2007.
[3] SINBA,A.CHANDRAKASAN.energy-aware Software[J].Proc.Thirteenth International Conference on VLSI Design,Jan.2000:50-55.
[4] Deng J,Han YS,Heinzelman WB,Varshney PK.Scheduling sleeping nodes in high density cluster-based sensor networks.ACM/Kluwer Mobile Networks and Applications(MONET),2005,10(6):825-835.
[5] 梁英,曾鹏,于海斌.无线传感器网络中一种能量自适应的簇首选择机制.信息与控制,2006,2(35):141-146.
[6] 王娟,王汝传,孙力娟.数据融合在传感器网络协议中的节能性分析.计算机技术与发展,2006,11(6):4-6.